近65年來吐魯番市氣溫降水變化特征分析

楊少敏, 楚新正, 張揚

新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054

1 前言

氣候變化已成為全球性的問題, 引起世界各國政府和人民的關注與重視[1]?！兜诙螝夂蜃兓瘒以u估報告》認為[2]： 1951—2009年中國平均氣溫上升了1.38 ℃, 其變暖速率為0.23 ℃·(10 a)-1。丁一匯等[3]提出, 在全球變暖這一大背景下, 我國近百年的氣候發生了明顯變化, 我國氣候變暖最明顯的地區在西北地區、華北地區和東北地區。

新疆位于歐亞大陸腹地, 為典型的干旱、半干旱氣候, 水汽來源較少, 水資源缺乏。新疆地域遼闊,自然環境復雜多樣, 氣候變化存在著明顯的地域差異[4], 許多學者已經對新疆北部地區的氣候變化問題進行了研究并取得進展[5-9], 然而對小區域氣候變化特征的研究目前尚不全面和深入[10-13]。

吐魯番市(2015年4月, 吐魯番地區撤地設為地級市, 原“吐魯番市”改名為“高昌區”, 本文研究的吐魯番市指現在的高昌區)位于新疆維吾爾自治區中東部, 天山支脈博格達峰南麓, 吐魯番盆地中部,東邊與鄯善縣相鄰, 西邊與托克遜縣相接, 南邊與尉犁縣比鄰, 北邊到天山分水嶺, 與烏魯木齊、奇臺、吉木薩爾等縣相連。研究區熱量豐富, 日照充足, 年平均氣溫為14.4 ℃, 全年平均降水量15 mm左右, 氣候極端干燥; 年日照時數3000—3200 h, 無霜期為210 d。吐魯番盆地屬地塹盆地, 最低處的艾丁湖低于海平面155 m, 是全國最低點; 盆地地形封閉, 氣候干旱炎熱, 降水稀少, 風沙天氣多, 蒸發量大, 空氣極端干燥, 屬于典型的大陸性氣候。特殊的自然地理因素形成了吐魯番市獨特的氣候特點, 與北疆其它地區有較大差異。近幾年來, 更多關注到的是西部的資源、氣候等特征, 對于中國西北干旱區新疆氣溫和降水變化特征研究已有較多的成果[14-20],但對于吐魯番盆地這樣尺度的氣候變化研究較少,本文通過對研究區1952—2016年65 a氣溫、降水變化分析, 旨在揭示其氣候變化規律, 充實和豐富全球變化背景下干旱區氣候變化規律研究案例。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

本研究所使用數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http：//cdc.cma.gov.cn) , 通過計算研究區1952—2016年的月平均氣溫、月平均降水量, 研究氣溫、降水變化特征。所用時間段為1952—2016年,數據通過均一性檢驗和質量控制。采用氣象統計常用的四季劃分： 春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11 月)、冬季(12、1、2 月)。

2.2 研究方法

(1)線性趨勢與波動分析

運用氣候傾向率法和五年滑動平均分析氣候變化趨勢。氣候要素y的趨勢變化用線性回歸方程表示, 設y(氣溫和降水的時間序列數據)為因變量,x(時間)為自變量, 建立一元回歸方程：

式中,x為年份, a×10為氣候傾向率, 單位為(10 a);a為正時, 表示氣候要素y在對應時間內呈線性增加的趨勢,a為負時, 表示氣候要素y在對應時間內呈線性減少的趨勢;b為氣候變化趨勢的截距。用F檢驗法對變化的趨勢進行顯著性檢驗。

用數據總體標準差(δ)用分析氣象要素變化的波動性, 標準差越大, 表明變化的波動性也就越大[21]。

式中：χ為各年氣溫降水值,μ為65年的平均值, N為65。

(2)距平分析

將研究時段分為7個時段： 1952—1959年、1960—1969年、1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—1016年。首先計算 65 a各月平均氣溫/降水的氣候態(m=1,2, ... , 12), 然后計算每個時間段累年月平均氣溫/降水(m=1, 2, ... , 12;n=1, 2, ...7)。不同時間段各月平均氣溫、降水的距平為

(3)夏季與冬季氣溫差

計算研究時段內各年夏季平均氣溫(Si)和冬季平均氣溫(Wi), 夏冬季節氣溫差d=Si-Wi(i=1952,1953, ... , 2016)。

(4)累積距平統計量與信噪比

氣候突變是氣候變化過程中的某些不連續現象,常用氣候要素累計距平曲線來表示[22], 其指標為：

式中,Xi代表第i年平均氣溫或者降水量;為1952—2016年年平均氣溫或降水量。突變年可能是絕對值最大指標所對應的年份。

以下公式為信噪比[23]計算公式, 用來檢驗轉折是否達到氣候突變的標準,

式中, 1X、 2X和 1S、 2S分別為轉折年份前和轉折年份后兩階段的平均值和標準差。若 /S N＞1.0, 則定義在這個年份存在氣候突變, 反之突變不顯著。

3 結果與分析

3.1 氣溫變化基本特征

3.1.1 年平均氣溫變化趨勢

圖1為吐魯番市 1952—2016年平均氣溫變化圖。對年平均氣溫進行五年滑動平均和線性擬合,1952—2016年, 年平均氣溫 14.63 ℃, 最低氣溫為1960年12.38 ℃, 最高氣溫為2016年17.81 ℃, 相差5.43 ℃。1952年以來, 研究區平均氣溫總體呈上升趨勢, 與新疆[24]、中國[25-26]和全球[27]升溫趨勢一致。平均氣溫變化傾向率a＞0, 呈明顯上升趨勢, 升溫幅度為0.41 ℃·(10 a)-1?, 高于新疆[24]0.27 ℃·(10 a)-1?和中國[25]平均增溫速率0.25 ℃· (10 a)-1?, 氣溫增溫顯著并通過顯著性水平(a=5%)F檢驗。從表1看出, 吐魯番市年平均氣溫呈明顯的年代波動上升趨勢, 20世紀80年代以來氣溫明顯升高, 21世紀開始升溫速度加快, 近16年平均氣溫達到15.83 ℃, 與20世紀70年代平均氣溫(13.55 ℃)相比升高了2.28 ℃。對65年的年平均氣溫計算標準差, 為 1.03 ℃, 波動性整體較小; 平均氣溫變化大致呈升-降-升的特征, 總體呈上升過程。

3.1.2 年最高、最低氣溫變化

圖2為吐魯番市年平均最高氣溫與最低氣溫變化圖。65 a來平均最高氣溫總體呈緩慢上升趨勢(圖2a), 平均最高氣溫增溫速率為0.04 ℃·(10 a)-1。65 a平均最高溫為 32.75 ℃, 氣溫最低年份為 1979年(30.6 ℃), 較年均偏低 2.15 ℃, 氣溫最高年份為2016年(35.7 ℃), 較年均偏高2.95 ℃。65 a平均最低氣溫呈現明顯的上升趨勢(圖2b), 平均最低氣溫增溫速率為 0.74 ℃·(10 a)-1。 65 a平均最低溫為-8.55 ℃, 氣溫最低年份為1960年(-20.6 ℃), 較年均值偏低12.05 ℃, 氣溫最高年份2015年(-3.9 ℃),較年均值偏高4.65 ℃。總體而言, 年平均最低氣溫增幅大于年平均最高氣溫增幅。這種線性變化趨勢的不對稱性與全國最高、最低氣溫變化趨勢一致,這也說明本研究區變暖在最低氣溫上表現更突出。

圖1 吐魯番市1952—2016年年均氣溫變化Fig. 1 Variations of the mean annual temperature in Turpan from 1952 to 2016

表1 吐魯番市1952—2016年不同年代氣溫均值和距平值Tab. 1 Means and anomalies of temperature of different ages in Turpan from 1952 to 2016

圖2 吐魯番市1952—2016年年平均最高(a)、最低(b)氣溫變化Fig. 2 Annual average maximum (a) and minimum (b) temperature changes in Turpan from 1952 to 2016

3.1.3 氣溫季節變化特征

圖3a表明, 吐魯番市11—3月氣溫變化明顯大于其它月份, 表明各年代之間氣溫的季節性變化有較大差異。20世紀50年代氣溫總體相對較低, 11月到 2月氣溫基本屬于歷史最低, 3月氣溫上升較快,表明早春氣溫回升快。50年代夏季平均氣溫高出距平值, 冬季低于距平值, 表明50年代冬夏季節溫差較大,65 a溫差最大值出現在1954年(43.57 ℃)(圖3b)。

圖3 吐魯番市不同年代各月溫度距平(a), 和冬夏季溫差(b)Fig. 3 Monthly temperature anomaly during different ages (a) and temperature difference between winter and summer(b) in Turpan

60年代明顯的氣溫異常出現在 4月(偏冷), 春季氣溫升高后又經歷了降溫, 5月份開始氣溫才開始升高。70年代平均氣溫較歷史水平最低, 9月至2月氣溫較低, 說明70年代秋季氣溫下降快, 冬季偏早并持續時間較長。從80年代開始, 冬季呈偏暖變化。90年代冬季氣溫明顯偏高, 而夏季氣溫偏低, 圖3b也可看出90年代夏冬季節溫差較小, 1993年達到歷史最低水平(31.94 ℃)。21世紀以來各月氣溫基本達歷史最高水平; 21世紀前10 年1—6月各月平均氣溫高于最近6 a (2010—2016 a), 7月—12月各月平均氣溫低于最近6 a (2010—2016 a)?？傮w來看, 20世紀80年代以來夏季氣溫變化不大, 冬季增溫明顯。吐魯番市冬季與夏季的溫差從 80年代開始呈下降趨勢, 季節性持續減弱。

3.2 降水量變化基本特征

3.2.1 降水量年際變化特征

圖4為吐魯番市1952—2016年降水量變化曲線,對其進行五年滑動平均和線性擬合可見, 1952—2016年, 年平均降水量15.80 mm, 最低為1968年的2.9 mm, 最高為1958年的48.4 mm, 距平值為正且最大(表2), 與最低降水量相差45.5 mm。平均降水變化傾向率a＜0, 呈下降趨勢, 下降幅度為 0.48 mm·(10 a)-1?, 沒有通過顯著性水平(a=5%)F 檢驗,表明降水量下降不顯著。研究區降水量呈減少趨勢,但減少幅度較小, 與前人得出的西北地區降水量增加這一結論不一致, 與大范圍的氣候相比有其自身的特征。對65年的年平均降水量進行標準差計算發現, 其標準差為 9.57 mm, 表明其波動性整體較小,總體而言降水量呈輕微減少趨勢。

3.2.2 降水量季節變化特征

圖5是吐魯番市1952—2016年不同年代各月平均降水量及距平變化。由圖5a可以看出, 各月平均降水量變化總體波動不大, 6—8(夏季)月降水量相對較多, 其他季節月平均降水量多在2 mm以下。不同年代降水量的季節變化差異比較明顯(5b)。20世紀50年代夏季降水量明顯高于其他各年代, 其中8月份降水量異常偏多, 1月份降水是歷史1月最高值;60年代和90年代春夏兩季降水偏多, 秋冬兩季降水偏少; 70年代與60年代、90年代正好相反, 秋冬兩季降水較多, 春夏兩季降水較少; 80年代秋季降水較多, 其它年代較少; 21世紀以來, 降水量節變化不明顯, 波動較小, 全年降水比較均勻。

圖4 吐魯番市1952—2016年年降水量變化Fig. 4 Variations of annual precipitation in Turpan from 1952 to 2016

表2 吐魯番市1952—2016年不同年代降水量均值和距平值Tab. 2 Means and anomalies of precipitation of different ages in Turpan from 1952 to 2016

3.3 突變分析

由圖6(a)所示, 1985年為吐魯番市氣溫累積距平曲線的絕對值最大年份, 氣溫由偏低期轉為偏高期且偏高期一直持續到現在。對1985年氣溫計算信噪比以檢查上述轉折是否達到氣候突變的標準, 結果顯示：1X=13.90, 2X=15.43, 1S=0.69, 2S= 0.70;通過計算求得1985年氣溫轉折的信噪比值為1.10＞1.0, 可認為氣溫突變年是 1985年, 突變后 1986－2016年平均氣溫15.43 ℃, 較突變前上升了1.53 ℃。

圖6 吐魯番市1952—2016年年平均氣溫(a)、降水量(b)累積距平變化曲線Fig. 6 Annual average temperature (a) and precipitation (b) cumulation anomalies curve in Turpan from 1952 to 2016

圖6(b)為吐魯番市降水量累積距平曲線, 由圖可以看出, 20世紀50年代末至60年代中期快速上升, 之后又急劇下降。1964年為絕對值最大年份, 此次轉折降水量由偏多期轉為偏少期, 1964年后的偏少期一直持續到20世紀80年代, 1986年達到最低值, 這次轉折是降水量由偏低期轉為偏高期。分別對1964和1986年降水量計算信噪比, 檢查上述轉折是否達到氣候突變的標準, 結果顯示： 1964年,=19,X2 =14.66,S1=12.6,S2=8.29; 通過計算求得 1964年降水量轉折的信噪比值為 0.21 ＜1.0;1986年,X1=15.79,X2=16.05,S1=10.87,S2=8.12 ; 通過計算求得1964年降水量轉折的信噪比值為0.01 ＜1.0?？芍?964年和1986年降水量轉折的信噪比均小于1.0, 所以1964年和1986年降水量突變不明顯。

4 結論與討論

近65年來吐魯番市氣溫呈明顯的上升趨勢, 氣溫上升速率為0.41 ℃·(10 a)-1?, 20世紀80年代以后氣溫上升趨勢更加明顯, 1985年為突變年, 突變后近 30年平均氣溫較突變前上升了 1.53 ℃, 氣溫上升速率為0.55 ℃·(10 a)-1?, 高出平均氣溫上升速率34%, 與全國大范圍氣溫增暖主要發生在近20年[25-26], 西北干旱地區1986年后氣溫明顯升高[12]的結論相同。近65年來夏季氣溫變化不大, 冬季增溫明顯; 這與任朝霞等得出的西北干旱區包括新疆年最低氣溫有增加趨勢[28]的一致; 冬季與夏季的溫差從80年代開始呈明顯下降趨勢。冬季升溫程度較大,夏季變化則不明顯, 因而冬季氣溫的升高對年平均氣溫升高的貢獻率最大。吐魯番市位于北緯 41°20′—43°35′之間, 平均海拔 300 mm,特殊的地理位置與地形使得氣溫變化比較敏感,因此, 吐魯番市近 65年來升溫率[0.41 ℃·(10 a)-1]高于新疆[24]和中國[25-26]平均水平。氣溫升高除了自然氣候變率的原因外, 很可能與城市發展有關。近年來隨著城市化進程的加快, 城市人口密度增大, 城區建筑面積遞增,水泥路面等下墊面增加了對太陽輻射的吸收, 不斷增加的建筑物增加了散射輻射, 另外城市污染增加了對太陽輻射的吸收和散射, 這些因素都可能使溫度升高[29]。

近65年來研究區降水量呈緩慢下降趨勢, 年平均降水量15.80 mm, 平均降水量下降率為0.48 mm·(10 a)-1?,降水量突變不明顯。各月平均降水量總體變化不大,6—8(夏季)月降水量相對較多, 其他季節月平均降水量多在2 mm以下。新疆地區近半個世紀以來降水量總體水平呈增加趨勢, 而吐魯番市與大范圍的氣候相比有其自身的區域性特征, 從地理位置看,它位于天山山脈背風坡, 來自大西洋與北冰洋的濕潤氣流很難進入。影響降水的因素很多, 也很復雜,如大氣環流、天氣系統和下墊面等因素, 不同的環流型、天氣系統及下墊面對降水的貢獻是有差異的,而且降水的產生并不是單個因子作用的結果, 而是由多個因素綜合影響的[30]。這些因素在多大程度上對降水產生了影響, 需要進一步深入研究。

本研究結果表明, 吐魯番市氣溫升高, 降水減少。這種現象可能會對小區域水循環產生影響, 發生干旱的風險將會提高。今后研究中應該深人探索區域性主要氣候要素的變化對水資源利用的影響。降水與氣溫是氣候的重要因素, 研究氣溫和降水變化規律與空間分布, 對促進區域經濟可持續發展,合理規劃水資源利用有重要意義。

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